sistemas de conduccion de carga
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SISTEMAS
DE
CONDUCCIO
N EN
CARGA
SISTEMAS DE CONDUCCION EN CARGA
El rendimiento energético del sistema
La inversión necesaria para construir el sistema
Las posibilidades de mantenimiento adecuado
La existencia de fenómenos indeseables tales como: cavitación y golpe de ariete.
La conducción en un sistema de bombeo es uno de los elementos más importantes, ya que su función es precisamente formar un sistema que una a todos los equipos y conduzca al fluido entre ellos. De su dimensionamiento adecuado dependerán:
Las pérdidas de carga del sistema
TUBERIA
DEFINICIONSe puede llamar tubería a cualquier cuerpo hueco, el cual puede al realizarse un corte transversal presentar una silueta con cualquier forma geométrica; puede seguir cualquier dirección sobre su eje longitudinal; además puede conducir entre sus paredes a sólidos, líquidos, gases, vapores, o mezclas de anteriores.
• Al manejar líquidos se le llamara tubería. • Si maneja gases o vapores comúnmente a baja presión y
velocidad se llama ductos.• Si conduce sólidos en caída por gravedad se les nombra como
tiros.4
En un sistema por gravedad, es la tubería que transporta el fluido desde el punto de captación hasta el reservorio. Cuando la fuente es agua superficial, dentro de su longitud se ubica la planta de tratamiento.
Pues se debe cuidar que la línea de gradiente hidráulico se encuentre siempre por encima del eje de la tubería, evitando así presiones negativas.
CARGAS
Estática
Dinámica
LINEA DE CONDUCCION
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Distancia vertical que el agua se desplaza desde el nivel de abatimiento del pozo hasta la altura en que se descarga el agua.
Incremento en la presión causado por la resistencia al flujo al agua debido a la rugosidad de las tuberías y componentes como codos y válvulas. .
Si a una tubería de sección variable como le mostrada se le aplica la ecuación de energía entre las dos secciones 1 y 2 se tiene
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LINEA DE CONDUCCION
Línea de energía y línea piezométrica.
La ecuación anterior se conoce con el nombre de teorema de Bernoulli. Que puede ser anunciado así: “A lo largo de cualquier línea de corriente la suma de las alturas cinéticas (V2/2g), piezométrica (P/γ) y potencial (Z) es constante”.
Cada uno de estos términos puede ser expresado en metros constituyendo lo que se denomina CARGA: = Carga de velocidad o dinámica. = carga de presión. Z= m = carga geométrica o de posición.
Para el movimiento uniforme, la sección transversal es invariable, por lo tanto la velocidad también lo es y la energía de velocidad constante es
LINEA DE CONDUCCION
Línea de energía y línea piezométrica.
Donde α es el coeficiente de Coriolis. En régimen laminar, a = 2, y en turbulento, a = 1. Entonces la ecuación de la energía simplemente es:
LINEA PIEZOMETRICA
LINEA DE ENERGÍA
LINEA DE LAS ALTURAS GEOMETRICAS
Para el movimiento uniforme, la sección transversal es invariable, por lo tanto la velocidad también lo es y la energía de velocidad constante es
LINEA DE CONDUCCION
Línea de energía y línea piezométrica.
LINEA PIEZOMETRICA
• Línea que resulta de unir las elevaciones a las que sube el líquido en una serie de piezómetros
• Suma de las alturas de presión y de posición.• Unión de puntos que alcanzaría el fluido
circulante en distintos piezómetros.• indica por medio de su altura sobre el eje de
la tubería la presión en cualquier punto de ella.
• indica por su descenso vertical la energía perdida entre dos secciones.
LINEA DE ENERGÍA
• Si en cada sección se adiciona a la cota piezométrica el valor correspondiente a la energía de velocidad so obtiene la LINEA DE ENERGIA.
• siempre desciende en la dirección del escurrimiento, salvo que se coloque una bomba, la de gradiente no siempre desciende.
LINEA DE LAS ALTURAS TOTALES
• Sumando para cada punto de la tubería las cotas piezométrica y las alturas de velocidad,
y representa la energía total del fluido.
FLUJO DE CARGA
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Paso 5
Paso 6
No tiene velocidad (presión relativa cero). Por tanto, su altura está definida por su cota geométrica.
LINEA DE CONDUCCIONLínea de energía y línea piezométrica.
Parte de la energía potencial se transforma en energía de presión.
Al adquirir una velocidad aparece el término de energía cinética. .
Ha disminuido la altura total debido a las pérdidas por rozamiento, la velocidad se mantiene.
La disminución total de altura, las pérdidas por rozamiento y las pérdidas puntuales, constituyen la pérdida de carga, h p .
Al aumentar la sección la velocidad disminuye, y con ella la energía cinética. La entrada en el depósito provoca la pérdida de la energía cinética que había en ese momento en la tubería.
Diámetros comerciales: Varían en 2” desde 4”, y a cada 6” entre 30” y 72”.Ventajas: - Tienen una vida útil prolongada.- Para requiera diámetros grandes y presiones elevadas.- Material resistente y liviano.Desventajas: - Daños estructurales debido a corrosión.- Expande ¾” por cada 100 ft de largo a 40°C.
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MATERIALES DE LAS TUBERIAS
TUBO DE ACERO
Diámetros comerciales: Varían en 3” en incrementos de 2” hasta 20”, y en incrementos de 6” a 8”.Largos comerciales: Estándar es de 12 ft, pero también hasta de 20ft (6m).Presión: Presiones de hasta 350 psi.- Dura mas de 100 años en servicio bajo condiciones
normales de operación (previniendo corrosión). - La corrosión externa no es problema - La tubería dúctil ha venido reemplazando a la
tradicional de fierro fundido. Hecha de aleación de magnesio con hierro.
TUBO DE FIERRO FUNDIDO
De acuerdo a propiedades físicas y químicas
Tubería de fierro fundido recubierta con zinc (disminuye la corrosión).Diámetros comerciales: 2.5, 3, 3.5, 4,5,6,8,10 pulgadas.Existe también la tubería de metal corrugado (galvanizado) para drenaje (alcantarillas en carreteras. El corrugado aumenta la resistencia de la tubería y permite reducir su espesor de pared.
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MATERIALES DE LAS TUBERIASDe acuerdo a propiedades físicas y químicas
TUBO DE FIERRO GALVANIZADO
Comúnmente fabricada para proyectos específicos.Diámetros comerciales. Disponibles en tamaños hasta de 72” (2m).Destinada a servir líneas de alta presión, se elabora con alma de acero para resistir tensión. El refuerzo de acero se omite en la fabricación de tubería de baja presión. Tubería fabricada para resistir presiones estáticas de hasta 400 psi (2700 kN/m2)
TUBO DE CONCRETO
Cemento Portland, sílica y fibras de asbesto.Diámetros comerciales: 4” hasta de 16”.Largos comerciales: el largo estándar es de 13 ft (4m).Presión: Soporta presiones de hasta 200 psi.Ventajas: Ligera, fácil instalación, resistente a la corrosión.Desventajas: - El asbesto es cancerígeno cuando las fibras son inhaladas y son de fácil ruptura.
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MATERIALES DE LAS TUBERIASDe acuerdo a propiedades físicas y químicas
TUBO DE ASBESTO-CEMENTO
Recomendaciones selección de tuberías La tubería de acero es muy resistente, presiones altas. Costo elevado. Las tuberías de asbesto-cemento son resistentes a la corrosión y ligeras, Cuidado especial al transporte, manejo y almacenaje. Diámetros hasta 400
mm. Las tuberías de plástico son ligeras y de instalación rápida, resistentes a la corrosión y tener bajos coeficientes de rugosidad.
Se recomienda PVC o polietileno para diámetros inferiores a 150mm. Si requiere mayor resistencia a presiones o posibles asentamientos de terreno
se recomienda el fierro galvanizado o acero para diámetros menores.
Factores hidráulicos (gastos, presiones y velocidades de diseño).
Costo..
Diámetros disponibles.
Calidad de agua y tipo de suelo
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MATERIALES DE LAS TUBERIAS
Criterios para la selección del material
DISEÑO DE TUBERIAS
Proponer tipo de tubería y diámetro para transportar el flujo de diseño.
Calcular el gasto teórico y compararlo con el gasto de diseño. Redimensionar tubería caso de ser necesario, hasta que el gasto calculado sea mayor que el gasto de diseño
Dibujar las líneas piezométrica y de gradiente hidráulico sobre el perfil del terreno
Verificar que línea piezométrica se localice 4m arriba del nivel del terreno.Identificar posible formación de vacios y el potencial “aplastamiento” de la tubería.
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DISEÑO DE TUBERIAS
CÁLCULO DE TUBERIAS SENCILLASLas
tuberías sencillas tienen rugosid
ad
Cada material tiene una rugosidad
característica propia, cuyo valor forma parte de la descripción
técnica de la tubería.
Rugosidad cambia con el tiempo, debido al
envejecimiento de las tuberías.
DISEÑO DE TUBERIAS
CÁLCULO DE TUBERIAS SENCILLASLos problemas que pueden presentarse en el cálculo de tuberías son los siguientes:
Calculo de la perdida de carga
Con estos datos se determina inmediatamente los dos parámetros necesarios para aplicar el diagrama de Moody, que son en número de Reynols y la rugosidad relativa.:
Numero Reynols
Rugosidad relativa
Las pérdidas de carga aumentan con el cuadrado del caudal y disminuyen en función de la quinta potencia del diámetro de la tubería.Las pérdidas de carga totales se obtienen multiplicando las pérdidas lineales por los metros de tubería.La dificultad del cálculo de las pérdidas de carga estriba en el cálculo del Factor de Fricción (f); este a su vez depende del tipo de derrame que se establezca.
DISEÑO DE TUBERIAS
CÁLCULO DE TUBERIAS SENCILLASLos problemas que pueden presentarse en el cálculo de tuberías son los siguientes:
Calculo de la perdida de carga
Con estos datos se determina inmediatamente los dos parámetros necesarios para aplicar el diagrama de Moody, que son en número de Reynols y la rugosidad relativa.:
Numero Reynols
Rugosidad relativa
Las pérdidas de carga aumentan con el cuadrado del caudal y disminuyen en función de la quinta potencia del diámetro de la tubería.Las pérdidas de carga totales se obtienen multiplicando las pérdidas lineales por los metros de tubería.La dificultad del cálculo de las pérdidas de carga estriba en el cálculo del Factor de Fricción (f); este a su vez depende del tipo de derrame que se establezca.
DISEÑO DE TUBERIAS
CÁLCULO DE TUBERIAS SENCILLASLos problemas que pueden presentarse en el cálculo de tuberías son los siguientes:
Calculo del gasto Q
Con estos datos no es posible calcular el número de Reynols. Debe procederse por aproximaciones sucesivas. Primero se calcula la rugosidad relativa y observando el diagrama de Moody se supone un valor para f. Con este valor de f incorporado a los datos se calcula un valor tentativo para la velocidad, y se halla en base a este un número de Reynols. Con el numero de Reynols y la rugosidad relativa se calcula un valor para f el cual se compara con el inicial, si la diferencia es grande debe hacerse un nuevo calculo para obtener igualdad en las 2 primeras cifras significativas. Con los valores de f y de V, se calcula el gasto.
Numero Reynols
DISEÑO DE TUBERIAS
CÁLCULO DE TUBERIAS SENCILLASLos problemas que pueden presentarse en el cálculo de tuberías son los siguientes:
Calculo del diametro DSi expresamos la ecuación de Darcy reemplazando la velocidad en función del gasto y del área se tiene:
Para la solución se recomienda el siguiente procedimiento.1.- Escoger tentativamente un diámetro. 2.- Calcular la velocidad media y el número de Reynols.3.- Calcular la rugosidad media.4.- Con el diagrama de Moody hallar el valor de f.5.- Con la ecuación de Darcy calcular la pérdida de carga.6.- Verificar que la pérdida carga es igual o menor que la admisible.8.- Si la pérdida de carga está entre los valores que corresponden a dos diámetros comerciales sucesivos tomar el mayor.
DISEÑO DE TUBERIAS
CÁLCULO DE TUBERIAS SENCILLASLos problemas que pueden presentarse en el cálculo de tuberías son los siguientes:
PRESION
TUBERÍA
S
EN
SERIE
Dos o más tuberías de diferente diámetro y/0 rugosidad están en serie cuando se hallan dispuestas una a continuación de la otra de modo que por ellas
escurre el mismo caudal.
La energía disponible H
debe ser igual a la suma de todas las
pérdidas de carga
ENERGÍA DISPONIBLE
Naturaleza del contorno
Fluido
CARACTERÍSTICAS
DE ESCURRIMIENTO
ECUACIÓN DE LA
CONTINUIDAD
ECUACIÓN DE LA ENERGÍA DISPONIBLE
RESOLVER UN SISTEMA DE TUBERÍA EN
SERIE
CÁLCULOIncógnita es la
energía HSolución inmediata
Incógnita es el caudal
Más complejoDiámetro
Longitud
Rugosidad
Métodos para resolver…
Se puede suponer sucesivamente valores para el caudal y verificar en cada caso si la suma de todas las pérdidas de carga es igual a la energía disponible H.
Con los valores obtenidos se hace un gráfico caudal-energía y se determina para el valor de H, dato del problema, cual es el valor correspondiente de Q.
TUBERÍAS EN SERIE
QUE DESCARGA A
LA ATMÓSFERA
CAUDAL
TUBERÍAS EN PARALELO
Se trata de una conducción que en un punto concreto se divide en dos o más ramales que después vuelven a unirse en otro punto aguas abajo
Tuberías en paralelo
Al nudo 1 entra un caudal Q que partir de esa sección se bifurca en n ramales en paralelo.
Cada ramal eventualmente con tuberías de distintos materiales, diámetros y longitudes.
Evidentemente a partir del nudo 2, donde los ramales se reencuentran, el caudal suma resulta ser el original al no existir, por hipótesis de partida, derivaciones en ruta.
Las condiciones de borde del problema
Las condiciones de borde del problema son fáciles de interpretar
Caudal suma de los caudales derivados por cada ramal es igual al caudal total
La pérdida de energía entre ambos nudos es la misma cualquiera sea el ramal que se considere.
En símbolos se tiene que:
Datos e incógnitas
Los datos son caudal Q, las longitudes de cada
ramal, como así también los materiales y
diámetros de las tuberías que los integran.
Las incógnitas son los caudales que pasan por cada ramal y la
pérdida de carga entre las secciones o nudos 1
y 2
Ecuación de Marc - Weisbach
En función del “coeficiente de fricción f ” a ser evaluado según las
ecuaciones racionales, se tiene
En un ramal genérico
Caracterizado por el subíndice i se tiene:
Solución en conducciones de agua con la expresión de Hazen y Williams
Se recuerda que las condiciones básicas
que deben ser cumplidas son
En la primera, se tiene reemplazando las pérdidas en los distintos ramales en
función de la expresión de Hazen y Williams:
Perdida de Carga
En consecuencia, la pérdida de carga entre las secciones 1 y 2, en función de los datos de cada tramo y utilizando la expresión de Hazen y Williams, resulta:
El valor ΔJ de la expresión previa
implica una pérdida equivalente de los
ramales en paralelo
La cual puedeobtenerse
de consideraruna tuberíaúnica hipotética
Tomando en cuenta tanto el transporte de caudal como en pérdida de carga de
los N ramales en paralelo
La perdida de carga hace posible determinar
Reemplazando las
anteriores en la
ecuación con la
condición a
cumplimentar por los caudales, se tiene
que:
o lo que es
equivalen
te:
Teniendo en cuenta que las pérdidas en
todos los tramos deben ser
necesariamente iguales, se puede simplificar por lo que, finalmente:
Despejando el término constante de la expresión de Hazen
y Williams, para la tubería hipotética equivalente a n
tramos en paralelo, se tiene:
Con el valor calculado
precedentemente se pueden obtener
los caudales en cada rama con las
expresiones:
Las que obviamente
deben verificar
que:
RED DE DISTRIBUCIÓ
N
Hacer llegar el agua, a
cada punto de uso
Los factores más destacables
Relativos al núcleo
Relativos a la conducción
Relativas a la propia red
Datos previos
Plano de la ciudad
Poblaciones actual
. Determinación de los puntos
de uso de agua
Volumen de agua
necesaria
Emplazamiento del
depósito
Diámetro mínimo a emplear
Presión requerida (máximo consumo)
Diámetros mínimos
Diámetros de Ø 60 mm
Diámetro no inferior a los Ø 80 mm
Caudales de
cálculo
Necesario
determinar el
tiempo de
consumo
Presiones de servicio
Las alturas deberían ser, estrictamente
Criterios para la elección del tipo de red
• Se debe tener presente los factores
Sistema ramificado
• Es recomendado para pequeñas poblaciones
Trazado
A cota superior a la del
alcantarillado
El recubrimiento mínimo sobre la
generatriz superior de la
tubería
En los puntos de bifurcación de los ramales se
colocarán válvulas
El sistema de distribución consistirá en tres tipos de conducciones:
Las conducciones primarias o
arterias principales
Las conducciones secundarias
Las conducciones
terciarias
Velocidades recomendables en tuberías
V = velocid
ad (m/s)D = diámet
ro (mm)
Fórmula de MOUGNIE:
Caudal
Sección
Velocidad
Pérdida de carga
MÉTODOS DE CÁLCULO DE UNA RED DE
DISTRIBUCIÓN
La velocidad de paso
0.5m/s
1.5m/s
Red ramifica
da
Forma estructural
de árbol
No posee mallas
Dos nudos cualesquiera sólo
pueden estar conectados por
un único trayecto
El cálculo de los tramos por el método ramificado puede hacerse determinando en primer lugar el consumo en l/s por metro lineal
Q = (N * D) / (3.600 * h * L)
Q = caudal del ramal, en l/s/m
D = dotación, en l/h/día
N = número de habitantes a servir
h = horas de consumo
L = longitud del ramal, en m
En las arterias que han de abastecer zonas de amplificación se calculará el caudal por la fórmula:
Q = (S * d * D) / (3.600 * h)
Q = caudal de la arteria, en l/h/día
S = superficie de la futura ampliación
d = densidad de la población previsible
Red mallada
Se considerará la red como
ramificada en primera
aproximación
El cálculo por cierre de mallas
aplicando el método de
Hardy-Cross
El desconocimiento de los caudales que circulan por
cada ramal
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